化工流程模拟

本书共分为8章，第1章介绍了化工设计和模拟的一般步骤；第2章介绍了作为化工流程模拟基础的相平衡理论和物性模型等；第3章介绍了混合器、分流器和闪蒸器模型与模拟；第4章介绍了压力变化单元阀门、泵和压缩机模型与模拟；第5章介绍了换热器模型与模拟；第6章介绍了精馏塔、吸收塔、汽提塔和萃取塔模型、设计与模拟，阐述了不同条件下计算塔效率的4个经验公式；第7章介绍了5种反应器模型与模拟；第8章介绍了几种工艺流程的合成与模拟。全书采用化工流程模拟软件Aspen Plus 作为模拟与设计工具，结合实例介绍了该软件的操作步骤和应用技巧，包括灵敏度分析、设计规定、参数优化和计算收敛策略等方面。
　　本书可作为高等院校化工专业本科生和研究生教材，也可为从事化工设计和工艺改造的工程技术人员提供参考。

1  绪言 1

2  化工流程模拟基础 3
2.1  化工单元操作原理 3
2.2  相平衡理论 3
2.2.1  相平衡概念 3
2.2.2  相平衡条件 3
2.2.3  相平衡计算 4
2.3  物性模型 6
2.3.1  剩余性质和过量性质 6
2.3.2  状态方程模型 7
2.3.3  活度系数模型 9
2.3.4  物性方程的选用 14
2.4  温标转换 15

3  混合器、分流器和闪蒸器模拟 16
3.1  混合器 16
3.1.1  混合器模型自由度分析 16
3.1.2  混合器模拟 17
3.2  分流器 28
3.2.1  分流器模型自由度分析 28
3.2.2  分流器模拟 29
3.3  闪蒸器 32
3.3.1  闪蒸器模型自由度分析 32
3.3.2  闪蒸器模拟 33

4  压力变化单元模拟 35
4.1  阀门 35
4.1.1  阀门模型自由度分析 35
4.1.2  阀门模拟 35
4.2  泵 37
4.2.1  泵模型自由度分析 37
4.2.2  泵模拟 38
4.3  压缩机 39
4.3.1  压缩机模型自由度分析 39
4.3.2  压缩机模拟 39

5  换热器模拟 41
5.1  管壳式换热器 41
5.1.1  管壳式换热器模型自由度分析 41
5.1.2  管壳式换热器传热方程 42
5.1.3  管壳式换热器模拟 43
5.2  简化的换热器模型 49
5.2.1  加热器 49
5.2.2  热流连接的简化换热器模型 50
5.3  换热器网络 63

6  塔器模拟 64
6.1  精馏塔结构及自由度分析 64
6.2  精馏塔操作压力估算和冷凝器类型确定 67
6.3  精馏塔直径计算 67
6.4  精馏塔全塔效率计算 69
6.5  精馏塔简捷法设计 71
6.6  精馏塔严格模拟 76
6.7  精馏塔灵敏度分析和设计规定 81
6.8  利用模拟软件计算全塔效率和塔径 87
6.9  吸收塔和汽提塔效率 103
6.9.1  吸收和汽提过程的重要概念 103
6.9.2  吸收塔和汽提塔效率 106
6.10  吸收塔和汽提塔模拟 107
6.11  萃取塔模拟 116

7  反应器模拟 119
7.1  化学计量反应器 119
7.2  产率反应器 122
7.3  平衡反应器 124
7.4  吉布斯反应器 126
7.5  动力学反应器 128

8  工艺流程模拟 136
8.1  环己烷生产过程模拟 136
8.2  二氯甲烷溶剂回收过程蒸汽用量优化 163
8.3  丙酮甲醇混合物萃取精馏过程模拟 176
8.4  粗甲醇精馏脱水热集成过程模拟 183
8.4.1  粗甲醇单塔分离过程设计与模拟 184
8.4.2  粗甲醇脱水热集成流程合成与模拟 184

习题 187

参考文献 190

化工过程的开发与设计通常都是一个复杂的过程，它是建立在许多实践经验和基础理论之上的系统工程。因此，化工类专业的专业课程较多，主要有化工原理、反应工程、化工热力学、分离工程、化工过程分析与合成和化工过程设计等。这些课程内容各有侧重又相互联系，构成了化工过程合成、模拟和设计的基础。
　　对于复杂的化工过程模拟与设计工作，依靠手工计算已经不能胜任，随着计算机技术的快速发展，利用计算机解决化工过程中的计算问题得到了快速发展。化工专业技术人员可以根据自己的需要，建立合适的模型编制计算程序，在计算机上实现过程的模拟计算。特别值得关注的是，化工流程模拟软件的日趋成熟和推广，为化工专业技术人员提供了非常便利有用的模拟计算工具，使他们从烦琐的计算机编程中解脱出来，专注于所要开发设计的问题本身。
　　常用的化工流程模拟软件有Aspen Plus、Hysys、Pro//Ⅱ和ChemCAD等。目前，化工设计研究院广泛采用化工流程模拟软件作为流程开发的模拟和设计工具，高等院校也开始引进化工流程模拟软件作为教学、科研或工艺过程开发和改造的工具，国内的化学工程类教材也开始逐步介绍和应用流程模拟软件。运用模拟软件，教师可以演示解决生产企业的关键工程技术问题，学生通过亲自对实际案例的模拟，可以获得未来工作需要的专业技能，这样，化工专业课程的教学能够做到更好地理论联系实际，得到很好的强化和提升。
　　本书共分为8章，第1章介绍了化工设计和模拟的一般步骤；第2章介绍了作为化工流程模拟基础的相平衡理论和物性模型等；第3章至第7章介绍了典型化工过程单元的模型、设计与模拟。鉴于精馏塔、吸收塔、汽提塔和萃取塔是化工过程中重要的分离设备单元，因此第6章对这些塔器的模型、设计与模拟作了较为详细的阐述，包括塔效率的4个经验公式的介绍；第8章介绍了几种工艺流程的合成与模拟。全书采用化工流程模拟软件Aspen Plus 作为模拟与设计工具，结合实例介绍了该软件的操作步骤和应用技巧，包括灵敏度分析、设计规定、参数优化和计算收敛策略等方面。
　　由于水平有限，不当之处在所难免，欢迎读者批评指正。另外，如果读者需要本书配套的例题模拟文件和习题参考解答，请通过下面邮箱与作者联系。
　　[email protected]或[email protected]
　　
编著者
2016年3月